Plug Flow Reactor: töö, tuletamine, omadused ja selle rakendused

Plug flow on nende reaktorite oluline omadus, nii et mis tahes kaks molekuli saab reaktorisse siseneda lühema ajaga ja väljuda samal ajal. Pistikuvool reaktor tagab tõhusa reaktsiooniaja kontrollimise nii reagentide kui ka toodete jaotuse optimeerimisel. Seega on reaktorite hea jõudluse jaoks vajalik hea pistikuvool. Seega nimetatakse pistikvoolukeemiat kasutavaid reaktoreid tavaliselt pistikuvoolureaktoriteks või PFR-reaktoriteks. Plug Flow Reactor ehk PFR on kolmandat tüüpi reaktor, kus toitained viiakse pidevalt reaktorisse ja liiguvad reaktoris pistikuna. Selles artiklis käsitletakse ülevaadet a pistikvoolu reaktor , selle töö ja rakendused.

Mis on Plug Flow Reactor?

Korkvoolureaktor või kolbvoolureaktor on ristkülikukujuline idealiseeritud voolureaktor, mis kasutab materjalide töötlemiseks kogu torus pidevat vedelikuvoolu. Seda reaktorit kasutatakse keemiliste reaktsioonide kujutamiseks silindrilises torus nii, et kõik keemilise reaktsiooni kombinatsioonid tarnitakse sarnase kiirusega piki voolusuunda, seega; ei ole integratsiooni ega tagasivoolu.

See reaktor sisaldab silindrilist toru, mille mõlemas otsas on avad reagentide ja toodete jaoks, mille kaudu reagendid tarnivad. Ühtlase reaktsiooni säilitamiseks selles reaktoris juhitakse reaktorisse kindla temperatuuriga vett. Selles reaktoris tekitatakse korgivoogu, sisestades materjali pidevalt ühest otsast ja teisest otsast, see eemaldab materjale pidevalt. PFR-is sageli toodetud materjalid on; naftakeemia, polümeerid, ravimid jne. Nendel reaktoritel on lai valik rakendusi kas vedel- või gaasifaasisüsteemides.

Plug flow reaktor tagab suurepärase viibimisaja kontrolli ja reaktsioonitingimused. Seega tagavad need kõrge konversioonitaseme ja ühilduvad reaktsioonidega tänu suurele soojuseraldusele (või tundlikkusele reaktiivi kontsentratsioonide suhtes). Siiski on neil mõned piirangud ilma radiaalse segamise ja lihtsalt aksiaalse segamiseta.

Põhijooned

Plug-voolureaktori põhiomadused hõlmavad järgmist.

Ühesuunaline vool

PFR-is liiguvad nii reagendid kui ka tooted reaktori pikkuses ühes suunas ilma tagasisegamiseta.

Kontsentratsioonigradient

Reagendi kontsentratsioon ja produktid selles reaktoris muutuvad koos reaktori pikkusega, kuigi see on ühtlane kõigis voolu suhtes vertikaalsetes lõikudes.

Eluaeg

Viideaeg PFR-is kulutatud eraldi reagendi mahtu nimetatakse viibimisajaks ja see on stabiilne kõigi ruumalade jaoks.

Plug Flow reaktori tööpõhimõte

Plug flow reaktor töötab alkoholide ja muude orgaaniliste ühendite oksüdeerimisega, et toota selliseid peenkemikaale nagu; pigmendid ja värvained. Selles reaktoris olevad vedelikud liiguvad torus või torus pidevalt ja ühtlaselt. Reagendid sisenevad reaktori ühte otsa, et voolata läbi reaktori ja eksisteerivad teises otsas.

Selle reaktori pistikuvoolu iseloom tagab, et keemilised reagendid puutuvad PFR-i kaudu kokku sarnaste tingimustega ja et iga reagendi viibimisaeg on sama. Seega on pistikvoolureaktor suurepärane valik peamiste reaktsioonide jaoks, mis vajavad täpset resistentsuse aja, temperatuuri ja rõhu juhtimist.

Plug Flow reaktori skeem

Plug-voolureaktori konstruktsiooni saab teha teatud tüüpi kapillaariga, mis on väike toru (või) plaadile kinnitatud kanal. See on pidev reaktorikomplekt, millel on reagentide sisselaskeava ja reaktori sisu väljalaskeava, mida tehakse pidevalt kogu reaktori töötamise ajal.

Plug flow reaktoril (PFR) ei ole silindrilise kujuga segistit, mis võimaldab vedelikul areneda minimaalse tagasisegamise korral, mistõttu on kõigil reaktorisse sisenevatel vedelikuosakestel sarnane viibimisaeg . Seda reaktorit võib kindlasti pidada õhukeste vedelikulõikude seeriaks, mis koosneb pisikesest partiireaktorist, mis on viilu sees täielikult segatud, et liikuda reaktoris edasi nagu kolb.

Üldise massitasakaalu võrrandit saab ühe reaktoris oleva vedeliku viilu kohta väljendada järgmiselt:

Sisselaskeava = väljalaskeava + tarbimine + akumulatsioon

Ülaltoodud avaldise iga komponendi ühikud on materjali töökiirus, näiteks mol/sek.

Plug flow reaktori võrrandi tuletamine

Plug-flow reaktor on idealiseeritud reaktor, kus kõik osakesed konkreetses sektsioonis on sama kiiruse ja liikumissuunaga. Plug-voolureaktoris (PFR) ei toimu tagasivoolu ega segunemist, seega on alloleval joonisel näidatud vedeliku nagu korgi vool sisselaskeküljest väljalaskeava poole.

See reaktor luuakse olenevalt nii massitasakaalu kui ka soojusbilansist erineva vedelikukoguse piires. Kui kujutame ette, et protseduur on isotermiline, siis arvestatakse ainult massibilanssi.

Kui kujutame ette püsiseisundi tingimusi, siis reagentide kontsentratsioonid lõpuks ei muutu. See on tüüpiline PFR-i töömeetod. PFR-i matemaatilise võrrandi saab kirjutada lihtsalt järgmiselt;

udCi/dx = allikas

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Kus 'Ci' on reagent, 'i' on kontsentratsioon, 'u' on vedeliku kiirus, 'νi' on stöhhiomeetriline koefitsient, 'r' on reaktsioonikiirus ja 'x' on asukoht reaktoris. „Caf” on reaktant A kontsentratsioon reaktori sisselaskeava juures ja „L” on reaktori pikkus. Vedeliku kiirust u mõõdetakse sõltuvalt Fv (m3/s) mahuvoolukiirusest ja reaktori ristlõike piirkonnast S (m^2):

u = Fv/S

Ideaalse PFR-i korral on kõik vedelad osakesed olnud reaktoris täpselt sama kaua, mida nimetatakse keskmiseks elukohaks, mõõdetuna;

T = L/u

Viipeaja andmeid kasutatakse tavaliselt keemilise reaktori projekteerimisel muutuste ja väljumiskontsentratsioonide prognoosimiseks.

Esimese järgu pöördumatu reaktsioon

Vaatleme lihtsat lagunemisreaktsiooni:

A–> B

Kui reaktsioon on pöördumatu ja esmajärjekorras, on meil:

udCa/dx = -kCa

Kus 'k' on kineetiline konstant. Üldiselt sõltub kineetiline konstant peamiselt temperatuurist. Üldiselt saab selle seose kirjeldamiseks kasutada Arrheniuse võrrandit. Siin eeldame isotermilisi tingimusi, seega ei kasutata seda sõltuvust.

Esimest järku pöördumatute reaktsioonide mudelit saab loogiliselt lahendada. Seega on lahendus järgmine;

Ca = Cafexp (-x*k/u)

Teist järku pöördumatu reaktsioon

Teist järku pöördumatu reaktsiooni näide lubab meil kasutada järgmist:

2A -> B

Kui reaktsioon on pöördumatu ja teist järku, on meil:

udCa/dx = -2k*(Ca)^2

Plug Flow reaktori omadused

Plug-voolureaktori omadused hõlmavad järgmist.

• Plug-flow reaktoris olevad reagendid voolavad läbi reaktori pideva vooluga, segunedes vähesel määral või üldse mitte.
• Reaktsioon PFR-is toimub siis, kui reagendid liiguvad koos reaktori pikkusega.
• Reagentide kontsentratsioon muutub koos reaktori pikkusega ja reaktsioonikiirus on üldiselt suurem sisenemisel.
• Neid reaktoreid kasutatakse sageli reaktsioonides, kus on vaja palju muutusi ja kus reaktsioonikiirus ei reageeri absorptsioonimuutustele.
• Viideaeg PFR-is on tavaliselt lühike.
• Biokile moodustub õhu-vedeliku liidese lähedal, simuleerides keskkondi, nagu suuõõne, märjad kivipinnad ja dušikardinad.
• Seda tüüpi reaktor tekitab madala nihkejõuga ühtlase biokile, mida saab kasutada nagu staatilisest klaasist kupongreaktorit mikrobitsiidi efektiivsuse kontrollimiseks.
• Selle reaktori biokilet on lihtne analüüsida erinevate meetoditega, nagu elujõuliste plaatide loendus, paksuse määramine ja valgusmikroskoopia.
• PFR-i reagendid tarbitakse pidevalt, kuna need voolavad reaktori pikkuses alla.
  Tüüpiline PFR võib olla toru, mis on pakitud läbi mõne tahke materjali.

Eelised ja miinused

The Plug-voolureaktori eelised sisaldama järgmist.

• PFR-i eelis CSTR-i ees seisneb selles, et sellel reaktoril on madal maht sarnase aegruumi ja konversioonitaseme jaoks.
• Reaktor vajab vähem ruumi ja konversiooni hulk on PFR-is kõrge, võrreldes CSTR-iga sarnase reaktori mahu korral.
• Seda reaktorit kasutatakse sageli gaasifaasi katalüütilise kineetika protsessi otsustamiseks.
• Need reaktorid on väga tõhusad reaktsioonide käsitlemisel ja suure hulga 'tüüpiliste' reaktsioonide puhul, mis võimaldavad iga reaktori mahu puhul suuremat konversioonimäära, võrreldes CSTR-iga (Continuous Stirred-Tank Reactors).
• Reaktorid sobivad väga hästi kiirreageerimiseks
• Soojusülekannet PFR-is saab tankireaktoritega võrreldes paremini juhtida, mis tagab suurepärase sobivuse äärmiselt eksotermiliste süsteemide jaoks
• Tänu korgivoolu iseloomule ja tagasisegamise puudumisele kehtib kõigi reagentide jaoks ühtlane viibimisaeg, mis tagab toote usaldusväärse kvaliteedi, eriti kui suured viibimisajad põhjustavad saastumist ja söestumise ning palju muud.
• Plug flow reaktori hooldus on lihtne, kuna puuduvad liikuvad elemendid.
• Need on mehaaniliselt lihtsad.
• Selle konversioonimäär on kõrge iga reaktori mahu kohta.
• Toote kvaliteet pole muutunud.
• Suurepärane kiirete reaktsioonide uurimiseks.
• Reaktori mahtu kasutatakse väga tõhusalt.
• Suurepärane suure võimsusega protsesside jaoks.
• Vähem rõhulangust.
• Tagasisegamist ei toimu
• Otsene skaleeritavus
• Tõhus viibimise aja reguleerimine, temperatuuri reguleerimine, tõhus segamine, partiidevaheline varieerumine on piiratud jne.

The pistikvoolureaktori puudused sisaldama järgmist.

• PFR-is on eksotermilise reaktsiooni jõudlust raske kontrollida temperatuuriprofiilide laia ulatuse tõttu.
• PFR-i puhul on hooldus- ja tegevuskulud CST-ga võrreldes kulukad.
• Temperatuuri reguleerimine on reaktori jaoks keeruline.
• Kuumad kohad tekivad reaktoris alati, kui seda kasutatakse eksotermiliste reaktsioonide jaoks.
• Seda on koostise ja temperatuuri kõikumiste tõttu raske kontrollida.
• PFR-ide projekteerimine ja hooldamine on nende keeruka disaini ja kokkupaneku tõttu kulukas.
• PFR-id on tavaliselt loodud täpsete reaktsioonide jaoks ja ei pruugi olla võimelised kohanema lähteainete või reaktsioonitingimuste muutustega.
• Neid on nende kitsa ja pika disaini tõttu raske hooldada ja puhastada.
• PFR-i reagendid võivad voolata ebaühtlaselt, mis põhjustab kuumaid kohti või mittetäielikke reaktsioone.
• On väga oluline meeles pidada, et pistikvoolureaktorid ei sobi kõikidesse rakendustesse. Seega tuleb hoolikalt analüüsida viibimisaega, kineetikat, selektiivsuse küsimusi jne, et otsustada, millist tüüpi reaktor on rakenduse jaoks sobiv.

Rakendused

Plug-flow reaktorite rakendused hõlmavad järgmist.

• PFR-e kasutatakse tavaliselt väetiste, suuremahuliste keemia-, naftakeemia- ja farmaatsiatööstuses.
• Neid reaktoreid kasutatakse polümerisatsiooniprotsessides, nagu polüpropüleeni ja polüetüleeni tootmine.
• Plug flow reaktorid sobivad vedelik-tahke ja gaas-tahke reaktsioonisüsteemide jaoks.
• Need sobivad heterogeensete või homogeensete reaktsioonide jaoks, nagu; õli ja rasva hüdrogeenimine.
• PFR-e kasutatakse alkoholide ja muude orgaaniliste ühendite oksüdeerimiseks ning peenkemikaalide, näiteks pigmentide ja värvainete tootmiseks.

Seega on see ülevaade plug flow reaktorist , töö, eelised, puudused ja rakendused. Hea voolureaktori projekteerimine ja valik on endiselt kunst ja aastatepikkused teadmised panevad teid valikute tegemisel paremaks muutma. Mõnikord tuntakse pistikvoolureaktorit ka kui CTR-i (pidev torureaktor). Idealiseeritud kujul võib reaktsioonikombinatsiooni kuju mõõta nii, et see koosneb mõnest pistikust ja igal pistikul on ühtlane kontsentratsioon. Sellel PFR-il on oletus, et aksiaalset segamist ei toimu, seega ei toimu reaktoris tagasisegamist. Siin on teile küsimus, mis on reaktor?